NO_x预测模型和火焰面建表方法在航空发动机燃烧室中的应用研究

发布时间：2020-05-06 12:35

【摘要】：由于对航空发动机的排放标准日益严苛,低污染成为航空发动机燃烧室的重要设计指标之一,其中主要为NO_x排放。为降低燃烧室NO_x排放,要求采用新的燃烧组织方法,从而需要对先进低污染燃烧室燃烧组织和NO_x排放生成机理开展研究。针对燃烧室的湍流燃烧过程和NO_x排放预测开展数值方法研究,对揭示NO_x排放生成机理、探索燃烧组织方法和指导燃烧室设计具有重要的意义。本文围绕航空发动机燃烧室中的湍流燃烧和NO_x排放的数值计算问题,开展了基于火焰面方法的燃烧模型和NO_x排放预测模型研究。在燃烧模拟方面,开展了建表方法研究,包括层流火焰面数据库构建方法、反应进度变量PDF以及β-PDF处理方法等。分别采用δ-PDF和β-PDF作为反应进度变量PDF,建立了火焰面/进度变量(FPV)和火焰面生成流形(FGM)模型,以及β-PDF的高效处理方法。在NO_x数值预测方面,考虑到NO生成与温度的强相关性,通过将焓损失引入层流火焰面数据库中扩展FPV和FGM模型,建立了非绝热FPV和FGM模型,并发展了简化辐射模型光学薄模型(OTM),完善了非绝热流场的求解方法,同时保持了较高计算效率。考虑到NO生成过程是一个慢反应且生成量较小,采用单独求解NO质量分数输运方程的方式进行NO_x的预测,建立了两种源项处理方法,包括直接由火焰面查询表获得净反应速率(NO-NET模型)和采用输运方程求解的NO质量分数修正逆反应速率(NO-PC模型)。利用所建立的基于火焰面方法的燃烧模型和NO_x排放预测模型,对两种不同类型火焰进行了数值模拟,验证了所发展的燃烧模型和NO_x排放预测模型的精度和适用性。通过对Cabra部分预混抬举火焰进行模拟,研究了建表方法对火焰抬举预测的影响,包括层流火焰面数据库构建方法和反应进度变量PDF,表明在火焰抬举的预测上,采用β-PDF作为反应进度变量PDF的FPV和FGM模型具有较高的精度,而采用δ-PDF作为反应进度变量PDF的FPV和FGM模型也出现较大偏差,稳态层流火焰面模型(SLFM)是失效的。通过对钝体稳定火焰HM1的模拟,研究了层流火焰面数据库构建方法、反应进度变量PDF、辐射和化学反应机理对流动、混合、燃烧和NO_x预测精度的影响,以及NO_x预测模型对NO_x预测精度的影响。层流火焰面数据库构建方法、反应进度变量PDF、辐射和化学反应机理对主要热力化学参数的预测影响较小。层流火焰面数据库构建方法和NO_x预测模型都对NO_x生成的预测有着非常大的影响,基于FGM模型的NO-PC NO_x预测模型在NO_x预测上具有较高的精度,而NO-NET NO_x预测模型则出现高估,基于FPV模型的NO_x预测模型也高估了NO_x的生成。反应进度变量PDF对NO_x预测精度的影响较小。化学反应机理和辐射都对NO_x预测精度有非常重要的影响,选择能够详细考虑NO_x生成的化学反应机理对提高NO_x预测精度是很重要的,同时考虑高温燃气辐射能够有效提高NO_x预测精度。本文采用多种光学测量方法,对两种双旋流燃烧室的流动和燃烧流场进行了试验研究。针对采用气膜冷却的斜切径向双旋流燃烧室,借助相干反斯托克斯喇曼散射(CARS)、可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)和自发振动喇曼散射(SVRS)对温度和主要组分(H_2O、CO_2、O_2和N_2)相对浓度进行了测量。针对采用多斜孔冷却的斜切径向双旋流燃烧室,采用二维粒子图像测速仪(PIV)对速度场进行了测量,同时研究了旋流器进气面积和旋流强度对燃烧室流场结构和湍流特征的影响,表明旋流器进气面积和旋流强度主要对二次区流场结构、旋流和主燃射流附近的湍流特征有较大影响。本文开发了一套可用于航空发动机燃烧室中三维两相湍流燃烧和NO_x排放模拟的数值计算软件。在LISA液膜破碎模型和KHRT液滴破碎模型基础上,建立了能够考虑非平衡效应的非平衡Langmuir-Knudsen模型,用于模拟燃烧室的雾化和蒸发过程。针对采用气膜冷却的斜切径向双旋流燃烧室,开展了三维两相湍流燃烧流场数值模拟,并与CARS、TDLAS和SVRS测量结果进行了对比验证,表明反应进度变量采用β-PDF能够较好地捕捉主燃区内未燃混合物被回流燃气点燃过程和火焰抬举现象,采用β-PDF作为反应进度变量PDF的FGM模型(FGM-β)对航空发动机燃烧室燃烧特性的模拟具有较高的精度。针对采用多斜孔冷却的斜切径向双旋流燃烧室,将FGM-β模型应用于燃烧流场模拟和性能分析,研究了旋流器进气面积和旋流强度对燃烧室燃烧流场和性能的影响,表明旋流器进气面积和旋流强度都对燃烧流场和出口温度分布有着非常重要的影响。本文对贫油直接喷射(LDI)燃烧室的三维两相湍流燃烧和NO_x排放进行了数值模拟,并将NO_x排放计算结果与试验进行对比,表明基于非绝热FGM模型的NO-PC NO_x预测模型在LDI燃烧室NO_x排放的预测上具有较高的精度,误差小于2%。考虑辐射可以降低20%的出口平均EINO,同时考虑详细的NO_x生成机理有助于提高LDI燃烧室中NO_x排放的预测精度。通过数值研究LDI燃烧室中流动、混合、燃烧和NO_x排放的耦合问题,揭示了NO_x生成的机理,并给出了NO_x排放与中心单元凹陷深度的关系。
【图文】：

于混合不均匀造成局部热点问题，如图 1-4 所示。由于取消了预混段，有效避免了LPP燃烧室自燃和回火的问题，，是未来低污染燃烧技术的一个重要发展方向。Tacina 对比了 LPP、RQL 和 LDI 三种低污染燃烧室概念的 NOx排放水平，证明了 LDI 的降低 NOx排放的能力[10]，由于需要进行快速而均匀的油气混合，LDI燃烧室的设计极大地依赖混合器的设计，包括旋流器、喷嘴以及两者的配合。

于混合不均匀造成局部热点问题，如图 1-4 所示。由于取消了预混段，有效避免了LPP燃烧室自燃和回火的问题，是未来低污染燃烧技术的一个重要发展方向。Tacina 对比了 LPP、RQL 和 LDI 三种低污染燃烧室概念的 NOx排放水平，证明了 LDI 的降低 NOx排放的能力[10]，由于需要进行快速而均匀的油气混合，LDI燃烧室的设计极大地依赖混合器的设计，包括旋流器、喷嘴以及两者的配合。
【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V231.2


本文编号：2651265